塑料罩板注塑模具設計,塑料,注塑,模具設計 廣西科技大學鹿山學院塑料模具設計課程設計說明書 廣西工學院鹿山學院 課程設計說明書 課程名稱： 課題名稱： 塑料罩板注塑模具設計 指導教師： 班 級： 姓 名： 學 號： 成績評定： 指導教師簽字： 年 月 日 目錄 1 緒 論 1 1.1模具在加工工業(yè)中的地位 1 1.2模具的發(fā)展趨勢 1 1.3設計在學習模具制造中的作用 2 2 塑件工藝性分析 3 3 模具結構分析 5 3.1工作原理 6 3.2分型面的選擇 6 3.3型腔數目和配置 7 3.4澆注系統(tǒng)設計 9 3.5成型零部件設計 13 3.5.1凹模的結構設計 13 3.5.2凸模的結構設計 14 3.6脫模機構設計 18 3.7導向機構的設計 18 3.8冷卻系統(tǒng)設計 18 4 校核 21 4.1鎖模力的校核 21 4.2模具厚度校核 21 4.3開模行程校核 21 5 心得體會 22 參考文獻 23 21 1 緒 論 1.1模具在加工工業(yè)中的地位 模具是利用其特定形狀去成型具有一定的形狀和尺寸制品的工具。在各種材料加工工業(yè)中廣泛的使用著各種模具。例如金屬鑄造成型使用的砂型或壓鑄模具、金屬壓力加工使用的鍛壓模具、冷壓模具及注塑模等各種模具。 對模具的全面要求是：能生產出在尺寸精度、外觀、物理性能等各方面都滿足使用要求的公有制制品。以模具使用的角度，要求高效率、自動化操作簡便；從模具制造的角度，要求結構合理、制造容易、成本低廉。 模具影響著制品的質量。首先，模具型腔的形狀、尺寸、表面光潔度、分型面、進澆口和排氣槽位置以及脫模方式等對制件的尺寸精度和形狀精度以及制件的物理性能、機械性能、電性能、內應力大小、各向同性性、外觀質量、表面光潔度、氣泡、凹痕、燒焦、銀紋等都有十分重要的影響。其次，在加工過程中，模具結構對操作難以程度影響很大。在大批量生產塑料制品時，應盡量減少開模、合模的過程和取制件過程中的手工勞動，為此，常采用自動開合模自動頂出機構，在全自動生產時還要保證制品能自動從模具中脫落。另外模具對制品的成本也有影響。當批量不大時，模具的費用在制件上的成本所占的比例將會很大，這時應盡可能的采用結構合理而簡單的模具，以降低成本。 現代生產中，合理的加工工藝、高效的設備、先進的模具是必不可少是三項重要因素，尤其是模具對實現材料加工工藝要求、塑料制件的使用要求和造型設計起著重要的作用。高效的全自動設備也只有裝上能自動化生產的模具才有可能發(fā)揮其作用，產品的生產和更新都是以模具的制造和更新為前提的。由于制件品種和產量需求很大，對模具也提出了越來越高的要求。因此促進模具的不斷向前發(fā)展 1.2模具的發(fā)展趨勢 近年來，模具增長十分迅速，高效率、自動化、大型、微型、精密、高壽命的模具在整個模具產量中所占的比重越來越大。從模具設計和制造角度來看，模具的發(fā)展趨勢可分為以下幾個方面： （1） 加深理論研究 在模具設計中，對工藝原理的研究越來越深入，模具設計已經有經驗設計階段逐漸向理論技術設計各方面發(fā)展，使得產品的產量和質量都得到很大的提高。 （2） 高效率、自動化 大量采用各種高效率、自動化的模具結構。高速自動化的成型機械配合以先進的模具，對提高產品質量，提高生產率，降低成本起了很大的作用。 （3） 大型、超小型及高精度 由于產品應用的擴大，于是出現了各種大型、精密和高壽命的成型模具，為了滿足這些要求，研制了各種高強度、高硬度、高耐磨性能且易加工、熱處理變形小、導熱性優(yōu)異的制模材料。 （4） 革新模具制造工藝 在模具制造工藝上，為縮短模具的制造周期，減少鉗工的工作量，在模具加工工藝上作了很大的改進，特別是異形型腔的加工，采用了各種先進的機床，這不僅大大提高了機械加工的比重，而且提高了加工精度。 （5） 標準化 開展標準化工作，不僅大大提高了生產模具的效率，而且改善了質量，降低了成本。 1.3設計在學習模具制造中的作用 通過對模具專業(yè)的學習，掌握了常用材料在各種成型過程中對模具的工藝要求，各種模具的結構特點及設計計算的方法，以達到能夠獨立設計一般模具的要求。在模具制造方面，掌握一般機械加工的知識，金屬材料的選擇和熱處理，了解模具結構的特點，根據不同情況選用模具加工新工藝。 2 塑件工藝性分析 圖1：塑料罩 圖1為塑料罩的三視圖，材料選用丙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，精度等級為一般精度（4級精度），要求外觀表面光澤、無雜色，無收縮痕跡。 ABS材料的性能 塑料性能 ABS 熔融溫度/℃ 195-240 成型模溫/℃ 38-93 彎曲強度/Mpa 80 拉伸強度/Mpa 35-49 彎曲彈性模量/Gpa 1.4 拉伸彈性模量/Gpa 1.8 收縮率（%） 0.4-0.6 成型壓力/Mpa 120-140 流長比 30-150 密度/（） 1.02-1.08 射速 中等速度 另外ABS具有好的易加工性和優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性，高沖擊強度。 外觀特性：提高模溫可提高塑件光潔度。 ABS的成型特性和條件 1)流動性和成型性優(yōu)良，成品率高。 2）容易出現裂紋，故塑件壁厚應均勻，脫模斜度不宜過小。 塑件結構工藝性 根據ABS的特性，一般制件的壁厚應均勻，型腔脫模斜度為15′-1°30′，型芯的脫模斜度為25′-1°。這里取2.5mm為制品的平均壁厚，外表面的脫模斜度為30′，內表面的脫模斜度為20′。 模具結構為二板模，一模二穴。 3 模具結構分析 下圖為塑料罩模具結構圖，采用單分型面注塑模即二板模成型。這種模具只有一個分型面。單分型面注射模具根據需要，既可以設計成單型腔注射模，也可設計成多型膠注射模，應用十分廣泛。本案例為單型腔注射模。 單分型面注射?？捎沙尚土悴考沧⑾到y(tǒng)、導向機構、推出裝置、溫度調節(jié)系統(tǒng)和結構零部件組成。 （1）成型零部件 模具中用于成形塑料制件的空腔部分稱為模腔。構成塑料模具模腔的零件統(tǒng)稱為成形零部件。由于模腔是直接成形塑料制件的部分，因此模腔的形狀應與塑件的形狀一致，模腔一般郵型腔零件、型芯組成。 （2）澆注系統(tǒng) 將塑料由注射機噴嘴引向型腔的流道稱為澆注系統(tǒng)，澆注系統(tǒng)分主流道、分流道、澆口、冷料穴四個部分。模具澆注系統(tǒng)是由澆口套、定模板上的流道組成。 （3）導向機構 為確保動模與定模合模時準確對準而設導向零件。通常有導向柱、導向孔或在動模板、定模上分別設置互相吻合的內外錐面。如上圖所示導柱各導套。 （4）推出裝置 推出裝置是在開模過程中，將塑件從模具中推出的裝置。有的注射模具的推出裝置為避免在頂出過程中推出板歪斜，還設有導向零件，使推板保持水平運動。此案例的模具推出裝置由推桿、推板、推桿固定板、復位桿、推板導柱及推板導套組成。 （5）溫度調節(jié)和排氣系統(tǒng) 為了滿足注射工藝對模具溫度的要求，模具設有冷卻或加熱系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)一般為在模具內開設的冷卻水道，加熱系統(tǒng)則為模具內部或周圍安裝的加熱元件，如電加熱元件。此案例模具采用冷卻水道和水嘴組成。 （6）結構零部件 用來安裝固定或支承成形零部件及前述的各問她分機構的零部件。支承零部件組裝在一起，可以構成注射模具的基本骨架。此案例的模具結構零部伯郵定模座板、動模座板、墊塊組成。 3.1工作原理 首先，模具架在成型機上。 開模時，動模板與定模版分離，由于制件因收縮包緊在型芯上和拉料桿對澆注系統(tǒng)凝料的作用，塑料制件留在動模側 ，當動模側移動一定距離（制件的高度加10-30mm安全值）后，用推桿將制件推出，使用人工或機械手將制件取下，最后將澆注系統(tǒng)凝料與制件分離。 合模時，在彈簧或成型機拉桿的做用下，將推桿固定板頂回(或拉回)以使推桿復位。 3.2分型面的選擇 分型面是指分開模具取出塑件和澆注系統(tǒng)凝料的可分離的接觸表面。一副模具根據需要可能有一個或兩個以上的分型面，分型面可以是垂直于合模方向，也可以與合模方向平行或傾斜，我們在這里選用與合模方向垂直的分型面。 選擇設計分型面的基本原則是：分型面應選擇在塑件斷面輪廓最大的位置，以便順利脫模。 同時在選擇設計分型面時還應考慮以下因素： 1）分型面的選擇應便于塑件脫模并簡化模具結構 2）分型面的選擇應考慮塑件的技術要求 3）分型面應盡量選擇在不影響塑件外觀的位置 4) 分型面的選擇應有利于排氣 5）分型面的選擇應有利于模具零件加工 6）分型面的選擇應考慮注塑機的技術參數 根據上述原則，模具的分型面選擇如下圖所示。 3.3型腔數目和配置 型腔數目的確定 為使模具與注射機的生產能力相匹配，提高生產效率和經濟性，并保證精度，模具設計時應確定型腔數目，常用的方法有四種：1）、根據經濟性能確定型腔數目；2）、根據注射機的額定鎖模力確定型腔數目；3）、根據注射機的最大注射量確定型腔數目； 4）、根據制品精度確定型腔數目。 本例因為制件偏大，且有倒扣，選取單型腔成型。 另外，型腔數目的確定因素有四點，見下表。 型腔的配置 本案例因為是單穴，所以，型腔的配置相對簡單，主要確定塑件在動模部分、定模部分及同時在動模和定模中的結構。下圖為塑件在模具中的位置結構圖。 3.4澆注系統(tǒng)設計 澆注系統(tǒng)是指模具中從注塑機噴嘴到型腔入口的塑料熔體的流動通道，它由主流道，分流道，冷料穴和澆口組成。它向型腔中的傳質、傳熱、傳壓的情況決定著塑件的內在和外表質量，其布置和安排影響著成型的難易程度和模具設計及加工的復雜程度，所以澆注系統(tǒng)是模具設計中的主要內容之一。 澆注系統(tǒng)的設計原則 （1） 了解塑料的成形性能 掌握塑料的流動特性以及溫度、剪切速率對黏度的影響，以設計出合適的澆注系統(tǒng)。 （2） 盡量避免或減少產生熔接痕 熔體流動時應盡量減少分流的次數，有分流必然有匯合，熔體匯合之處必然會產生熔接痕，尤其在流程長、溫度低時，這對塑件強度的影響較大。 （3） 有利于型腔中氣體的排出 澆注系統(tǒng)誚能順利地引導塑料熔體充滿型腔的各個部分，使型腔中的氣體排出，避免產生紊流或渦流、凹陷、氣泡、燒焦等塑件的成型缺陷。 （4） 盡量采用較短的流程充滿型腔 （5） 流動距離比的校核 對于大型或薄壁塑料制件，塑料熔體有可能因其流動距離過長或流動陰力太大而無法充滿整個型腔。 流動比的校核 流動距離比簡稱流動比，它是指塑料熔體在模具中進行最長距離的流動時，其截面厚度相同的各段料流通道及各段模腔的長度與其對應截面厚度之比值的總和，即 本案例為直接澆口進料的塑件，料流通道按截面的厚度可分為二段，每段的長度各厚度見下圖所示，其流動距離比為： 計算得￠=60.15<[￠] 主流道設計 主流道是連接噴嘴與分流道的通道，通常和噴嘴在同一軸線上，斷面為圓形，有一定的錐度，目的是便于冷料的脫模，改善料流的速度。 圖4：澆口尺寸 主要參數：錐角=2°～5°；內表面粗糙度；小端直徑d=噴嘴直徑+(0.5～1)mm；半徑R=噴嘴球面半徑+(1～2)mm；H=(1/3～2/5)R；r=1～3mm。 主流道要與高溫的塑料熔體和噴嘴反復接觸和碰撞，所以常設計成可拆卸的主流道澆口套，以便選用優(yōu)質的鋼材進行單獨的加工和熱處理。常用T8A鋼材制作，并淬火處理到50～55HRC。澆口套、定位圈的結構形式如下圖所示: 圖5：澆口套、定位環(huán)的結構簡圖 分流道設計 分流道是指主流道末端與澆口之間的一段塑料熔體的流動通道。分流道作用是改變熔體流向，使其以平穩(wěn)的流態(tài)均衡地分配到各個型腔。設計時應注意盡量減少流動過程中的熱量損失與壓力損失。 澆口設計 澆口亦稱進料口，是連接分流道與型腔的容體通道。澆口的設計與位置的選擇恰當與否，直接關系到塑件能否被完好、高質量地注射成形。 單分型面注射模澆口的類型有直接澆口、中心澆口、側澆口、環(huán)形澆口、輪輻式澆口和爪形澆口。 本案例采用直接澆口進澆，直接澆口以稱為主流道型澆口，它屬于非限制性澆口。這種形式的澆口只適于單型腔模具。其特點是：1）流動阻力小，流動路程短及補縮時間長等；2）有利于消除深型腔處氣體不易排出的缺點；3）塑件和澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積最小，模具結構緊湊，注射機受力均勻；4）塑件翹曲變形、澆口截面大，去除澆口困難，去除后會留有較大的澆口痕跡，影響塑件的美觀。 直接澆口大多用于注射成形大、中型長流程深型腔筒形或殼形塑件。 選用較小的主流道錐角a(a=2°-4°) 模具的排氣設計 當塑料容體充填型腔時，必須順序地排出型腔及澆注系統(tǒng)的空氣及塑料受熱而產生的氣體。如果氣體不能被順得地排出，塑件會由于填充不足而出現氣泡、接縫或表面輪廓不清等缺陷，甚至氣體受壓而主生高溫，使塑料焦化。 注射模的排氣通常采取以下四種方式： 3.5成型零部件設計 成型零件的結構設計 成型零件在工作時與塑料直接接觸，成型塑件。進行成型零件的結構設計，既要考慮保證獲得合格的塑件，又要便于加工制造，還要注意盡量節(jié)約貴重模具材料，以降低模具成本。 3.5.1凹模的結構設計 凹模又稱型腔，它是成型塑件外部輪廓的零件。有以下幾種結構形式：整體式凹模、整體嵌入式凹模、鑲拼組合式凹模，瓣合式凹模等，整體式凹模由整塊材料加工制成，強度高、剛性好，不會使塑件產生拼接縫痕跡，可減少注射模中成型零件的數量，便于模具裝配，塑料罩屬于中小型制件，選用整體嵌入式凹模，凹模所用材料為P20號鋼，硬度為30-38HRC. 3.5.2凸模的結構設計 凸模（即型芯）是成型塑件內表面的成型零件，通常為整體式和組合式兩種類型。我們根據凹模的結構形式選擇組合式凸模，它是將凸模單獨加工后與動模板進行裝配而成。型芯所用材料為P20號鋼，硬度30-38HRC. 計算成形零部件工作尺寸要考慮的要素 成形零件工作尺寸指直接用來構成塑件成型面的尺寸，例如型腔各型芯的徑向尺寸、深度和高度尺寸、孔間距離尺寸、孔或凸臺至某成形表面的距離尺寸等。 塑件的收縮率波動 塑件成形后的收縮變化與塑料的品種、塑件的形裝、尺寸、壁厚、成形工藝條件、模具的結構等因素有關，所以確定準確的收縮率是很困難的。工藝條件、塑料批號發(fā)生的變化會造成塑件收縮的波動，其塑料收縮率波動主差為 δs=(Smax-Smin)Ls 式中 δs----塑料收縮率波動誤差，mm; Smax----塑料的最大收縮率； Smin----塑料的最小收縮率； Ls----塑料的基本尺寸，mm； 實際收縮率與計算收縮率會有差異，按照一般的要求，塑料收縮率波動所引起的誤差應小于塑件公差的1/3。 模具成形零件的制造誤差 模具成形零件的制造精度是影響塑件尺寸精度的重要因素之一。一般成形零件工作尺寸制造公差值δz取塑件公差值△的1/3-1/4或取IT7-IT8級作為制造公差。 模具成形零件的磨損 模具的成形零件最大磨損量用δc來表示，一般取δc=1/6△。 模具安裝配合的誤差 模具的成形零件由于配合間隙的變化，會引起塑件的尺寸變化。模具安裝配合間隙的變化而引起塑件的尺寸誤差用δi來表示。 塑件的總誤差δ=δs+δz+δc+δi≤△ 成型零部件的工作尺寸計算 計算模具成形零件最基本的公式為 Lm=Ls(1+S) 式中 Lm----模具成形零件在常溫下的實際尺寸，mm； Ls----塑件在常溫下的實際尺寸，mm； S----塑件的計算收縮率。 成型零件尺寸的計算 下圖所示為塑件尺寸與模個成形零件尺寸的關系，模具成形零件尺寸決定于塑件尺寸。 塑件尺寸與模具成形零件工作尺寸的取值規(guī)定見下表 塑件尺寸與模具成形零件工作尺寸的計算見下表 本案例塑件的材料為ABS，采用一般精度（4級精度）。查得ABS收縮率為0.4%-0.6%，故其平均收縮率為0.5%。 塑料罩型芯/型腔尺寸 其中制品尺寸B1=103，B2=100，h=60 B1M=(1+S)B1 =(1+0.005)x103 =103.515 　　　　 B2M=(1+S)B2 =(1+0.005)x100 =100.5 H=(1+S)h =(1+0.005)x60 =60.3 3.6脫模機構設計 脫模機構的類型選擇 從模具中推出塑件和澆注系統(tǒng)凝料的機構稱為脫模機構。按推出零件對機構分類，可以分為推桿推出、推管推出、推件板推出、推塊推出和多元件聯合推出等；這里我們采用推桿推出機構。 推桿的固定方式 3.7導向機構的設計 為了保證注射模準確合模和開模，在注射模中必須設置導向機構。其作用是導向、定位以及承受一定的側向壓力。 導向機構的形式主要有導柱導向和錐面定位兩種，這里選取導柱導向機構。 導柱均布在模具分型面的四周，導柱中心至模具外緣有足夠的距離，保證模具的強度。為了使導柱能順利地進入導套、導柱端部做成錐形，導套的前端倒角。 導柱滑動部分的配合形式按H8/f8，導套外徑的配合按H7/m6。 3.8冷卻系統(tǒng)設計 模具溫度調節(jié)系統(tǒng)的重要性 塑料在成型過程中，模具溫度會直接影響到塑料的充模、定型、成型周期和塑件質量。所以，在模具上需要設置溫度調節(jié)系統(tǒng)以到達理想的溫度要求。 一般注射模內的塑料熔體溫度為200℃左右，而塑件從模具型腔中取出時其溫度在60℃以下。所以熱塑性塑料在注射成型后，必須對模具進行有效的冷卻，以便使塑件可靠冷卻定型并迅速脫模，提高塑件定型質量和生產效率。對于熔融黏度低、流動性比較好的塑料，如聚丙烯、有機玻璃等等，當塑件是小型薄壁時，如我們的塑件，則模具可簡單進行冷卻或者可利用自然冷卻不設冷卻系統(tǒng)；當塑件是大型的制品時，則需要對模具進行人工冷卻。另外如果模溫要求超過80℃時，還需要設置加熱系統(tǒng)。由于本文選用的材料為ABS,模溫要求較低，故僅需要冷卻系統(tǒng)。 冷卻系統(tǒng)的設計原則 1）冷卻系統(tǒng)的布置應先于脫模機構。 2）合理地確定冷卻管道的直徑中心距以及與性墻壁的距離 3）降低進出水的溫度差 4）澆口處應加強冷卻 5）應避免將冷卻水道開設在塑件熔接痕處 6）冷卻水道應便于加工和清理 冷卻回路布置 模具冷卻回路的形式應根據塑件的形狀、型腔內溫度分布及澆口位置等情況設計成不同的形式。通常有型腔冷卻和型芯冷卻兩種回路的結構形式。此處只采用型腔冷卻回路。 型腔冷卻回路 模具的熱量主要是由型腔帶走的，型腔的冷卻回路選為環(huán)繞式。結構簡圖10如下圖所示 塑件體積為41.9，澆注系統(tǒng)凝料的體積為0.3，總體積為42.2，選用XS-ZY-500型號的注射成型機。 XS-ZY-500注射成型機的技術規(guī)范 額定注射量/ 500 注射行程/mm 200 合模力/kN 3500 最大開合模行程/mm 500 最大模具厚度/mm 450 最小模具厚度/mm 300 4 校核 4.1鎖模力的校核 按F≥KpA分公式校核鎖模力。其中，F為注射機的最大鎖模力；p為模內平均壓力（型腔內熔體的平均壓力）；A為所有制品、流道和澆口在分型面上的投影面積之和。K為壓力損耗系數，一般取1.1-1.2。由于制品材料為ABS，查相關資料得：p為34.4MPa，取p=34MPa進行校核。A是分型面上的投影面積，經計算，得到兩個塑件的投影面積約為10000mm^2，澆注系統(tǒng)的投影面積約為685mm2，則兩個制品、流道和澆口在分型面上的投影面積之和A分為25499mm2。 因此：KpA =1.1×34×10000=374kN 故 F=3500kN≥842kN 滿足要求。 4.2模具厚度校核 注射機允許安裝的模具最高厚度為430mm；注射機允許安裝的模具最小厚 度為150mm。模具實際厚度 H=380mm。 注射機允許安裝的模具最小厚度≤模具實際厚度H≤注射機允許安裝的模具最大厚度，故模具厚度滿足要求。 4.3開模行程校核 本例注射機最大開模行程與膜厚無關。模具為單分型面注射模，可按下式校核： S≥H1+H2+（5-10）mm 其中，注射機最大開模行程S為500mm；制品的推出距離H1為50mm：制 品的總高度H2為60mm。 H1+H2+（5-10）mm=50mm+60mm+10mm=120mm 顯然，注射機最大開模行程S≥120mm，模具的開模行程足夠。 通過以上的校核和計算可以選擇XS-ZY-500型號的注射成型機。 5 心得體會 本次課程設計期間發(fā)現了自己的很多不足之處，如模具設計方面的知識沒有系統(tǒng)化，圖學方面的一些知識也有點遺忘了。這些使我在設計模具的過程中，時不時地需要翻閱課本，導致很大程度上影響了設計的速度，這在以后的講究效率的實踐中是不被允許的，使我強烈地意識到學好專業(yè)知識，特別是其中的一些基礎知識的重要性。在今后的學習和工作中我將更加注重基礎知識的積累，并積極地提高自己實踐方面的能力。在制作畢業(yè)設計的過程中，也發(fā)現自己軟件方面的欠缺，認真學習了CAD、PROE4.0等繪圖軟件，并有了新的認識和提高，畫裝配圖如果手畫會不標準和效率低下，又去學習了模具設計的兩個工具：燕秀工具箱和LTOOIS工具箱，使畫出的圖更標準、美觀！ 通過這次課程設計，我對模具的具體設計內容和步驟有了一定的了解，同時鞏固了模具方面的一些知識，提高了設計模具的能力。為以后有可能從事這方面的工作打下了一定的理論和實踐基礎。 這次畢業(yè)設計讓我明白了，雖然對模具設計缺乏經驗，只要時刻抱著不斷學習，認真、負責、嚴謹的態(tài)度，相信自己能做好就一定可以做好。 在設計的過程中得到了同學和老師的大力幫助，我的課程設計才得以順利地完成，在此表示衷心的感謝。 參考文獻 [1] 《塑料模具技術手冊》編委會編．塑料模具技術手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1997 [2] 駱志斌主編.模具工實用技術手冊[M].南京：江蘇科學技術出版社，2000.3 [3] 陳錫棟，周小玉主編．實用模具技術手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2001.7 [4] 張國強.注塑模設計與生產應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005 [5] 駱志高，陳嘉真.塑料成型工藝及模具設計[M].北京：工業(yè)出版社，2009 [6] 張維和.注塑模具設計實用教程[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007 附錄 外文資料 TEMPERATURE CONTROL P. H. J. Ingham Marketing Manager ,Eurotherm Ltd,Worthing,Sussex,UK SUMMARY Commercial plastic materials are organically based and are therefore heatsensitive .Accurate temperature control of melt processes such as injection moulding is therefore necessary if problems caused by thermal degradation are to be avoided. The injection moulding process is considered form a temperature controlriewpoint and some of the control methods or techniques are described.since it should not be forgotten that good temperature control can lend to materials and energy savings. 1 INTRODUTION The injection moulding process is concerned with the efficient conversion of plastics raw material into moulded product of acceptable standards.Some of ths parameters which determine acceptability are weight,dimensions,colour and stenght,all of which can be affected by the conditions under which the material is processed.Having established by the conditions for thwese parameters so as to deermine acceptability,limits can be set for the conditions under which the material is processed.One of the most important parameters contributing to the correct operation of an injection moulding machine is temperature.All plastics materials can be correctly processed only within a certain range of temperatures which varies from materialFor some mateials and mould types the band isvery small and for others it can be quite wide. Any attempt to define the limits within which the product is acceptable determines the need for some form of control.There are a number of types of control which,if applied correctly,can lead to adequate performance.Significant material and energy savings can be achieved by correctly pplying the right type of control equipment.The reliability of the system and the degree of operator supervision required also depend very largely on the balance struck between initial cost and performance. It is the purpose of this chapter to examine the injection moulding machine from a temperature control viewpoint and to outline some of the control methods can be used ,together with advantages and disadvantages. 2 THE PROCESS 2.1 Machine Zoning From a control viewpoint,an injection moulding machine consists of a number of zones (each equipped with a means of measauring the temperature) and a controller,which compares the measured value of the set-point and controls the heat input to the zone in such a way as to remove any different between the heat input to the zone in such a way as to remove any difference between the tow. Yu dividing the machine into a number of zones the different temperature requirements of different zones and their different heat input needs can most easily be met (Fig.1). For this purpose a typical small machine may have three or four barrel zones and a nozzle one. The zones nearest to the material feed hopper are where the plastic is melted and thus require fairly large heat inputs. However, in the zones hearest to the nozzle, the heat produced, by the rise in pressure needed to force the plastic into the mould, means that relatively little additional heat input is requied when the machine is running. Indeed, if the machine cycle very short, with some materials it may be that more heat is generated than required to maintain the temperature, which will then rise uncontrollably mless some form of additional cooling is applied. 2.2 Thermocpuple Location Considering again the barrel zones:these consist of a metal arrel with wall thickness sufficient to withstand the high pressures produced during the mjection cycle. The most common form of heating is electrical and is ipplied using band heaters strapped around the barrel (Fig.2). A controller of any kind can only control the temperature at the point of measurement. Ideally this will be as deep into the barrel wall as possible, since it is the temperature of the plastic which is required and not that of the barrel. Plastic is a poor thermal conductor and depending on whether the net heat dow is into or out of the plastic, a thermocouple deep into the barrel wall will register a temperature above or below the actual temperature. If the measuring element is shallow or on the barrel surface, the difference between the measured and actual melt temperatures can be very large. For any given conditions of operation there will be a more or less fixed difference between the melt and measured temperatures and acceptable produce may be produced. If ,however, the conditions, e.g. machine speed or ambient temperature, change, this may give rise to a melt temperature which does not result in the production of acceptable product. It is therefore important to place the thermocouple as close to the melt as possible , i.e. deep the barrel. 2.3 Temperature Overshoot The resultant system of an electrical band heater strapped around a thick walled barrel with a deep thermocouple is typical of most plastics processing machinery and present a number of control problems. Not only must stable control be achieved during normal running of the machine but acceptable start-up performance must also be achieved. The machine must be brought to its normal operating temperature as quickly as possible and preferably with no overshoot. (Overshoot is said to occur if the temperature is rising or falling at such a rate as it reaches set-point that it does not stop there but continues past by some amount before returning towards set-point again; see Fig.4.) The basic cause of temperature overshoot in the system is multiple heattransfer lags, i.e. where the heat generated electrically first raises the temperature of the heater thermal mass and is then conducted from the second thermal mass to a third and so on, until the heat reaches the point of measurement which, as stated already, is as near as possible to the point in the process to be controlled. In the simplest cast of multiple heat transfer only two thermal masses would be significantly involved, namely those of the heater and the load. If the thermal mass of each is about the same, this tends to represent about the worst case for overshoots (and hence controllability). Poor heat transfer from heater to load worsens the situation, since the heater temperature (during start-up, for example)can then become very much higher than the load temperature; when the power to the heater is cut off the final temperature reached (ignoring heat losses and assuming equal thermal masses for heater and load) will be the mean of their respective temperatures at the instant when the power is cut off. Thus ,the overshoot in load temperature increases as the heat transfer becomes worse. A particularly bad case of overshoot (and controllability) occurs where heat is transferred through a considerable thickness of heat-conducting material. This is exactly the situation which is presented by an injection machine barrel with deep set thermocouple. This sort of heat transfer represents in effect an infinite order multiple heat transfer: several minutes can elapse between switch-on of power and a significant change in thermocouple temperature. In fact the response has almost the appearance of a delay (i.e. transport lag ) although there is really a considerable difference between this heart-transfer lag and a true delay. During the time of the heart-transfer lag, heat is being fed into the barrel, so that even if the source of heat were switched off at the instant the deep thermocouple began to respond, the thermocouple temperature would continue to rise as the heat energy already fed in distributed itself evenly throughout the thickness of the barrel wall. A large part of the total lag can in practice be caused by the heart-transfer lag which occurs with a resistance heater. From the heater element thermal mass, via electrical insulation, to the outer surface of the barrel. For the lag through the barrel wall(or for any similar from the heat transfer) doubling the heart-transfer distance results in four times the lag. Iron, from which most injection machines are made, is a rather poor material for heat transfer: for example similar lag are obtained in aluminium and iron when the distance in aluminium is five times greater. 3. METHODS OF CONTROLLING TEMPERATURE 3.1 Measuring the Temperature The first item in the control system to consider is the measuring element, of which there are tow basic electrical types: active and passive. The active type are thermocouples. There are formed by the junction of tow dissimilar metals and give an output voltage proportional to the difference in temperature between the thermocouple and the point of measurement (Fig.3). The fact that the millivolt output of the thermocouple in relation to temperatures is non-linear and that it depends on a stable reference temperature for comparison purposes are factors ， Which must be taken into account in the controller. Thermocouples are very robust mechanically. (This is an obvious advantage in the environment of the moulding shop.) They also exhibit good repeatability from example to example of the same type. The two most common types used in plastic processing are both base metal thermocouples and these are nickel chrome/nickel aluminium (Type K) and iron/jconstantan (Type J). The passive types rely on having a resistance which varies with temperature in a known manner and thus, when fed from a constant current upon temperature. Such elements do not require a reference temperature to be generated by the controller. The commonest are the platinum resistance thermometer (which occupies a larer volume than a thermocouple and is more fragile)and the thermistor(which operates on the same principle and has the same disadvantages). The thermocouple is by far the most common measuring elcment used in practice. The siting of the thermocouple will depend upon the degree of control required, as will the choice of controller. 3.2 ON/OFF Control The simplest form of controller provides ON/OFF control of load power. The measured temperature is compared with the set-point and if it is too low, power is applied to the load; if it is too high the power is switched off. In practice there will be a small amount of hysteresis in the controller (mainly so that spurious noise signals on the thermocouple and effects due to mains regulation should not result in rapid ON/OFF chattering of the load power control relay). If the thermocouple and heater are in very close proximity, i.e. there is no appreciable lag, the temperature will cycle with an amplitude somewhat in excess of the controller hysteresis and with the natural period of the system. There will inevitably be some overshoot on start-up because full power will be applied to the load until the set and actual temperatures become equal and any stored energy in the heater will continue to be transferred to the load even after switch-off. It can be seen that if the thermocouple is deep in the barrel (thus measuring the melt temperature more closely) the system lags will be considerably increased and the temperature cycling will be of a longer period and will become much larger. Similar comments apply to the start-up overshoot. Thus ,in the least demanding circumstances, an ON/OFF controller with a shallow thermocouple may give acceptable results. However, with the large heaters required to give short start-up overshoot will probably be unacceptable for all but the least demanding situations and will be worse if account is taken of correct siting of the thermocouple. The natural period of the system results from a combination of heater power and location, sensor location, and the thermal mass of the system. 3.3 Proportional Control (P only) If we take an ON/OFF controller and force the switching of the output within the controller itself (with variable mark: space ratio)at a rate which is higher than the natural period, then we have proportional control. As the measured temperature approaches the set temperature, the relay will switch off(for a short time) the power supplied to the load. This point, at which just less than full power is applied to the load, is the lower edge of the ‘proportional band’. As the actual temperature approaches the set temperature more closely, less and les power is applied to the load until, when the two become equal, the power input is zero. It is general for the proportional band to be downscale of the set-point, i.e. at set-point the power fed to the load is zer.. The proportional band is usually defined as a percentage of the controller set-point scale span. Since the power applied to the load is proportional to the error or difference between actual and measured temperature (a so-called error-actuated system),it follows that if any power is required to maintain the temperature there must be some error in the system. This error is known as offset or droop (Fig.5). Since, on start-up, the load power will first be switched off at a temperature below the set-point, the resultant overshoot will be reduced. With a sufficiently large proportional band and sufficiently rapid cycling of the output power (compared to the system’s natural frequency) the oscillations in temperature will cease eventually. However, this does not necessarily mean that there will be no sart-up overshoot in temperature, but only that the subsequent oscillation will decay to zero amplitude. 英文翻譯 注塑模的溫度調節(jié)系統(tǒng) 商用塑料是最常用的，但它是熱敏感性材料。如果說因熱引起的問題是可以避免的，那么象注塑模中熔化過程中精確的溫度控制就是有必要的。] 從溫度控制的觀點和一些控制方法和技術的角度來考慮（這些方法和技術因不應忘記而被敘述），好的溫度控制能節(jié)約和熱能。 一、介紹 注射模過程曾引起一次會議的討論，這次會議為模制產品的塑料原材料制定了可行性標準。一些可行性參數是重量，尺寸，顏色和強度。所有這些參數都受材料制造環(huán)境的影響。為了決定其可行性，為這些參數已經建立了相應的公差。對注射機的正確操作起作用的眾多參數中，最重要的一個參數是溫度，所有的塑料產品的制造都只有在特定的溫度范圍內。這個特定的溫度范圍因材料而異。一些材料的這個溫度范圍相當寬，而另一些材料的這個范圍卻相當窄。 為使產品在允許溫度限制范圍內，需要某些形式的溫度控制。如果應用正確，這里有大量的類型能導致正確控制形式的操作。通過正確的應用控制設備。能節(jié)省貴重的塑料和能量。系統(tǒng)的現實性和操作者監(jiān)管要求的程度，也很大程度上依賴于最新消耗，運輸消耗，工作費用三者之間的平衡。 這章的目的是從溫度控制的角度來檢查注射模具和列舉一些常用的溫控方法以及其優(yōu)點。 二、 過程 2·1 模具的分類 從控制的角度來說，一個注射模具由許多分區(qū)和一個控制部分組成（每一個分區(qū)有一種測量溫度的方法），控制器比較兩者之間的不同測量價值和控制兩者之間的不同，而用某種方法輸入到這個分區(qū)的熱移走。通過劃分模具的分區(qū)，能使這些分區(qū)更容易認識，不同的分區(qū)，要求有不同的溫度和不同的熱輸入（如圖1）為了達到這個目的，一個典型的小模具就可以有3～4個桶型區(qū)和噴管區(qū)。這些離主流道襯套最近的區(qū)域是塑料要求熔化的地方。因此要求有相當大的熱量進給。然而，在離主流道襯套最遠的澆口處，通過增加注射壓力，使塑料和澆口之間產生摩擦熱。這意味著，當模具在工作時只需要相當小的熱量輸入。如果機器的循環(huán)周期非常短。某些材料在制造過程中比被要求的熱量產生更多的熱量，為了保持溫度，就需要采用某些形式的冷卻方式應用。 2·2 熱電偶的安裝 再考慮這些桶型區(qū)：一個型腔應具有足夠的壁厚。用以承受足夠的壓力。最平常的加工方法是電加熱和使用一個帶狀的加熱片貼在型腔周圍（如圖2），在任何類型的一個控制器都只能控制一個點的測量溫度的測試，而且盡可能貼近型腔。因為我們需要的是塑料的溫度，而不是型腔的溫度，塑料是熱的不良導體。依靠純熱進去塑料，如果熱電偶安放在型腔的表面或非常淺，那么測量值和實際值之間將會有非常大的差異。 任何給出的操作環(huán)境都或多或少的存在實際值和測量值之間的差異。然而如果環(huán)境變化，如模具的運動速度和周圍的環(huán)境溫度變化，這都可以影響到工件的熔化溫度。因此，熱電偶的安裝位置要盡可能的靠近型腔的內壁。 2·3溫度過調量 一個具有一個熱電偶的加熱片貼在一個深孔型腔的壁上。它的合模系統(tǒng)是最典型的塑料加工機械，而且存在著大量的控制問題，不僅在正常的模具工作期間必須完成穩(wěn)定的控制，而且可行的合理的初始操作也必須完成機械可以在不用調節(jié)時盡可能完美而迅速地使它達到正常的操作溫度（如果溫度上升或下降，以某一頻率。就是說它經過那點，但不停留在那點，而是在它返回那點時繼續(xù)通過一定數量的點。在這種情況下，過量調節(jié)就出現了。如圖4） 在系統(tǒng)中引起過量調節(jié)的基本原因是，多個熱傳導滯后等產生的殘余熱量。首先，引起受熱物體的溫度上升，然后，傳遞給第二個受熱物體，同時使第二個物體溫度上升，然后從第二個受熱物體傳遞給第三個受熱物體。以次類推直到熱在傳遞過程中達到控制溫度的點附近。 舉一個最簡單的多個熱傳遞的例子，如果兩個受熱體，如果每個受熱體都是一樣的，那將是過調量中最糟的。一種情況，沖加熱到裝入的差的熱傳遞使環(huán)境變糟，因為加熱溫度（如在開始時的溫度）。將使最終裝入溫度遠高于其本身。當加熱電源切斷時，最終溫度就達到了。（忽略溫度損失和假設加熱熱量和吸收熱量相等）。這將意味著最終電源切斷時，最終各方面的溫度。因此，過調量作為過調量作為熱傳遞在裝入溫度上升時變地更糟。 在特別糟的過調量（可控制）的情況出現在熱傳遞通過熱導體材料的深處，這是實際的環(huán)境。這個環(huán)境是一個具有深的安裝電熱偶的注射模具環(huán)境。這套熱傳遞系統(tǒng)抽繪一個無限次續(xù)的多熱傳遞系統(tǒng)的影響。在打開電源和在熱電偶中的一次重要轉變之間需要幾分鐘的時間。實際上，這反映的是一種延時的表現（如傳導滯后），雖然熱傳導滯后和真正的延時之間存在著差異，在熱傳導滯后和真正的延時之間存在著差異，在熱傳導滯后的時間中，熱進給到型腔，以至于熱源被切斷的瞬時深的熱電偶開始反應，當熱能已經進給通過整個型腔壁后來完全地分配本身。 總的滯后的大部分，可以是由于發(fā)生在熱阻傳導體的熱傳導滯后引起，熱阻傳導體從熱的基本發(fā)熱體，經過電隔離在型腔外表，因為滯后通過型腔壁（或任何一個類似的熱傳導）兩倍的熱傳導距離而產生了四倍的滯后。大多數注射模具制造用的鋼材對熱傳導是相當差的材料。舉一個簡單的例子：當在鋁中的距離比在鐵中大五倍時。在鐵和鋁中能得到相同的熱滯后。 三、 溫度控制的方法 3·1溫度的測量 在控制系統(tǒng)中，首先要考慮的一條是測量的元素，它有兩種基本的電子測量類型：主動的和被動的類型。 主動類的是熱電偶，它由兩種不同金屬片和一個外部電壓組成。這個外部電壓與熱電偶和測量點之間的不同溫度相稱（如圖3）；熱電偶的毫伏輸出電壓與溫度不成線性關系，它依賴一個作為比較目的的穩(wěn)定的參考溫度，這一事實都是在控制器里必須考慮的因素，熱電偶具有相當強的機動性（這在模具工廠的環(huán)境中是相當有利的）。這些因素也表現好的重復性。從例子到相同的類型的例子，兩個最常用在塑料加工過程的例子都是金屬熱電偶的基本組合材料，它們是鎳鉻/鎳鋁合金（類型K）和鋼/銅合金（類型J）。 無源類熱電偶，存在一種阻力，這種阻力使溫度不同于眾所周知的那種方式。因此，當在恒流電源的作用下，這種阻力將產生電壓，這個電壓依賴于所通過的材料的溫度。最常用的是鉑阻熱電偶（這種熱電偶比以前講的普通熱電偶具有更大的容量，并且更容易碎。）和熱敏電阻（它是用同樣的原理進行工作具有同樣多的不利條件）。 熱電偶是在實踐中被大量使用的最常用的測量工具。熱電偶的定線將依賴于要求控制的度數和所選的溫度控制器。 3·2控制器的開關 控制器的最簡單的形式提供負載電源開關的控制，測得的溫度與安裝點比較，假如溫度太低，負載電源將參與工作，假如溫度太高，負載電源見被切斷，在實際中，在控制器中有一些磁滯現象。如果熱電偶和加熱器非常接近，那么這就不存在滯后，溫度將以某種振動進行循環(huán)。這個振幅是由控制起的滯后和系統(tǒng)的自然周期引起，因為全功率的電源在要求的溫度和實際溫度相等之前一直提供負載，所以在開始時有一定的過調量是不可避免的。很明顯，如果熱電偶在型腔壁的深層（因此測量的熔化溫度更接近）。系統(tǒng)的滯后增大，溫度的循環(huán)周期將變長，振幅將變大，也同樣在開始時有一個過調量。 因此，一個具有線的熱電偶開/關控制器可以得出所接受到的結果，這是起碼的要求。然而具有大的熱電偶的開/關控制器要求有一個更短的啟動時間。如果計算考慮了這個熱電偶的正確安放位置，那么這個啟動時間過短將可能是對于所有控制器來說是不接受和更糟的。除這起碼的要求。 這套系統(tǒng)的自然時期來源于一個熱電偶能量與位置的聯合作用，傳感器的位置和系統(tǒng)的熱量集中區(qū)域三個因素。 3·3比例的控制（僅僅是P的控制） 如果我們使用一個開/關控制器，并且迫使輸出量轉換。在控制器內部本身有一個頻率，這個頻率高于自然時期的，然后我們將要進行一個比例的控制問題。當測量的溫度接近安放點的溫度時，繼電器將在短時間內切斷提供負載電源，在比最大電源電壓少一些的這個點是比例帶的最低邊緣，當實際溫度接近安放點的溫度時，越來越少的電源電壓進給量，直到兩者完全相同時，電源輸入量將變成零?？偟囊痪湓拋碚f，對于比例帶到安放點呈降低的比例趨勢。例如在安放點的電量進給為零。 比例帶的定義就是一個控制器安放點的范圍段的一個百分率。因為電源負載的誤差是成比例的，或是實際溫度與測量溫度之間存在著差異（一個所謂的誤差一個實際系統(tǒng)），這產生的后果將是假如任何電源要求保持溫度，這將使在系統(tǒng)中產生某些錯誤，這個誤差就是眾所周知的偏差和下降（如圖5）。然而在開始上升階段，在溫度還低于安放點時，負載電源將被關掉，短期內的結果將降低，用一個足夠大的比例帶和足夠快的外部輸出電壓的循環(huán)（與系統(tǒng)本身的自然頻率相比）溫度的波動將最終停止。然而，這并不意味著這里沒有上升的過調量，而僅僅只是意味著在此以后的波動將減小到振幅為零。